變量施藥系統壓力波動特性及其消除方法研究進展

摘要：變量施藥系統具有提高農藥利用率、降低農藥殘留、減輕環境污染等優點，根據控制方式可分為藥液濃度調節式、壓力調節式和流量調節式。基于脈寬調制技術的變流量式施藥系統因流量調節范圍廣、霧滴特性穩定等優點成為國內外研究熱點，但在變量施藥過程中因部分噴頭啟閉、泵源脈動、閥體開關動作等會造成管路壓力波動，導致霧化質量差，藥量不精準等亟待解決的問題。從變量施藥系統類型、系統壓力波動特性研究、系統壓力波動抑制方法與裝備方面綜述國內外研究現狀，分析總結藥液濃度調節式、壓力調節式、流量調節式變量施藥系統的構成、優勢和缺陷，重點闡述和歸納國內外施藥系統中管路和噴頭附近壓力波動特性，主要介紹回流穩壓、空氣閥、穩壓噴嘴等壓力沖擊抑制方法和裝備，指出我國在變量施藥系統精確性、變量施藥系統壓力穩定產品開發等方面的不足并提出展望，為實現變量施藥系統的進一步精準化、智能化提供思路。

關鍵詞：變量施藥；藥液濃度調節；脈寬調制；壓力波動特性；壓力波動消除

中圖分類號：S491 文獻標識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0060?09

Research progress on pressure fluctuation characteristics and elimination methods of variable rate spraying system

Zhang Meng1， 2， Zhang Chunfeng2， Zhao Xueguan2， Yang Shuo2， Li Si3， Zhai Changyuan1， 2

（1. College of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China;

2. Intelligent Equipment Research Center， Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Beijing， 100097， China;

3. Nongxin （Nanjing） Smart Agriculture Research Institute Co.， Ltd.， Nanjing， 211800， China）

Abstract： The variable?rate pesticide application system has several advantages of enhancing pesticide utilization rate， reducing pesticide residue levels， and reducing environmental pollution. Depending on the control mechanism employed， it can be categorized into three main typessuch as liquid concentration adjustment， pressure adjustment and flow adjustment. Particularly， the variable flow spraying system， leveraging pulse width modulation （PWM） technology， has garnered significant attention domestically and internationally in recent years owing to its broad flow adjustment range and consistent droplet characteristics. Nevertheless， during variable spraying operations， challenges such as nozzle opening and closing， pump pulsations， and valve switching actions can induce fluctuations in pipeline pressure， leading to compromised atomization quality and inaccurate dosing. This paper reviews the current research landscape， focusing on three key aspects suchas the types of variable pesticide application systems， investigations into system pressure fluctuation characteristics and approaches and equipment for mitigating pressure fluctuations. Furthermore， it delves into the composition， advantages， and limitations of variable pesticide application systems employing liquid concentration regulation， pressure regulation and flow regulation. Emphasis is placed on elucidating the pressure fluctuation characteristics observed near pipelines and nozzles in both domestic and international pesticide application systems. Various methods and equipment for suppressing pressure shocks， such as reflux pressure stabilization， air valves， and pressure?stabilizing nozzles， are extensively discussed. The study also highlights the challenges associated with the accuracy of variable pesticide application systems and the ongoing development of pressure?stabilizing products in China. Finally， it outlines future prospects， offering insights for enhancing the precision and intelligence of variable spraying systems.

Keywords： variable spraying; liquid concentration regulation; pulse?width modulation; pressure fluctuation characteristics; pressure fluctuation elimination

0 引言

化學農藥是現代農業不可或缺的生產資料，對防治農作物病蟲害、保障國家糧食安全和重要農產品有效供給具有重要意義[1]。然而，傳統的粗放型施藥裝備不能滿足精確用藥需求[2]，容易造成農藥噴灑過量或不足，無法滿足綠色和智慧農業的發展需要[3]。發展精準對靶、智能變量的智能植保機械是主要發展趨勢[4]，優化噴霧藥量控制方法成為未來研究方向[5]。變量施藥的技術核心是根據不同區域的農藥需求量，實時改變噴頭施藥量。但對施藥系統進行變量控制往往會造成管路內壓力波動，影響霧滴特性和施藥效果。

目前國內外學者針對施藥系統由隔膜泵、電磁閥、噴頭啟閉數量、PWM控制參數等[6?9]因素對管路壓力波動及霧化特性的影響展開了研究，并集成各種電子控制及傳感器技術優化和改進變量施藥控制系統[10]，以提高變量施藥系統的穩定性和精確性。本文從施藥控制方式角度介紹國內外變量施藥系統，綜述對施藥管路壓力波動特性以及抑制方法的研究進展，介紹國內外壓力波動消除裝置，分析我國精準變量施藥技術存在的問題，并提出建議與解決方案。

1 變量施藥系統類型及構成

在變量施藥系統中，實現對藥量的精確控制是研究的關鍵。藥量的調節方法有很多，如藥液濃度調節式、壓力調節式、流量調節式施藥系統，所用到的技術有PID控制技術、脈寬調制技術等，變量施藥系統類型及發展水平如表1所示。

1.1 藥液濃度調節式變量施藥系統

藥液濃度調節式變量施藥系統根據混藥方式可分為藥劑注入式[11]和藥劑并入式[12] 兩種控制系統。藥劑注入式系統通過控制器實時計算所需農藥濃度，將相應劑量注入管路恒定水流量中，從而實現變量調節施藥量，管路壓力不會發生變化從而減少對霧滴特性的影響。藥劑并入式系統則是同時改變藥劑和水的注入量，使農藥和水在混藥裝置內快速均勻地完成混合。蔡祥等[13]設計了一種噴嘴直接注入式農藥噴灑系統（圖1），水和藥液分泵存放，分別施壓泵入噴嘴附近混合腔混合均勻后由噴嘴噴出，經試驗驗證該系統具有較好的施藥均勻性和變量精準度。袁琦堡等[12]設計了一種在線實時混藥系統（圖2），控制器將水與藥劑以一定比例注入管路混藥器，充分混合后利用噴霧泵對藥液加壓并噴霧。

藥液濃度調節式變量系統也存在顯著缺點：在線混藥方式會導致藥液到達目標濃度具有一定延時。Tompkins等[14]發現直接注入式變濃度噴霧從濃度控制指令的發出到期望濃度的藥液流至噴頭位置的時間延遲長達12 s，因此提出藥劑注入位置靠近噴嘴的想法來減少延遲的影響。Hloben[15]深入研究了直接注入式變量噴霧系統兩個不同注射點位置的響應時間，分析結果表明，在將藥劑注入管路部分的情況下，響應時間為2.75～8.84 s；而如果直接在噴嘴附近注入，可以將滯后時間減少到0.30 s以下。但是藥劑注入式施藥系統多數為開環控制，缺乏實時混藥濃度信息反饋，各噴頭間藥液濃度難以一致。藥劑并入式系統混藥效果主要取決于混藥器的結構，需要對藥液和水量分別控制，管路設計復雜，成本較高。

1.2 壓力調節式變量施藥系統

調壓式變量施藥系統是最早應用于變量施藥的調流技術之一，其結合傳感器技術，根據噴藥機行走速度等信息，調節作用在固定孔噴嘴上的壓力，從而改變噴霧流量。在同等精度條件下，壓力式變量施藥系統以其低廉的成本、簡單的操作在農業生產中得到廣泛的應用。

Kunavut等[16]利用一種管夾閥來控制各個噴嘴的通流面積，實現噴嘴壓力的控制，進而達到對其噴量的調節作用。常相鋮[17]測試了單一噴頭下變量噴霧系統的流量調節范圍，得出了施藥流量波動較小，噴霧效果最為穩的范圍是l～l.6 L/min的結論，并指出超過該范圍將導致更差的液滴尺寸分布，并且增加液滴飄移的風險。調壓式變量施藥方法不僅會造成霧滴粒徑和沉積分布的改變，而且具有一定的遲滯性，研究表明，從控制系統發出指令到噴嘴壓力達到目標值所用時間約2 s[18]。為更精確地控制系統的施藥量變化，史巖等[19]在自行設計的壓力式變量施藥系統（圖3）的基礎上采用電液比例減壓閥控制施藥系統噴霧單元的工作壓力，搭建了壓力式變量施藥系統的數學模型，經驗證達到較滿意的控制效果。邱白晶等[20]設計了一種變量噴霧設備，提出通過預留時間設定的方法來改善變壓調節式噴霧設備在流量調節時存在的延遲現象以減小噴灑流量誤差。

變壓力式變量施藥系統原理簡單、成本低廉，得到了廣泛應用，但是壓力差與流量的平方成正比，因此需要較大的壓力變化來產生相對較小的流量變化，這就導致變壓式施藥流量可調節范圍較小，同時也會帶來霧滴畸變、系統壓力不穩定等問題。

1.3 流量調節式變量施藥系統

流量調節式變量施藥系統主要基于脈寬調制（PWM）技術來實現，通過控制PWM信號的占空比和頻率來調節施藥量。根據應用方式可分為間歇式和連續式PWM噴霧兩種。間歇式基本原理是在保持系統壓力恒定的條件下，通過控制噴頭附近高速電磁閥開關頻率和開啟時間調節噴頭流量；連續式則是利用PWM技術控制電路輸出功率，從而改變電磁比例調節閥的開度，實現對噴霧量的無極調節，兩者都可實現對單個噴頭噴灑流量的精確控制，但目前廣泛使用的是間歇式變量噴霧技術。

PWM變量施藥技術具有流量調節范圍大、易于控制、響應時間短等優點，因此近年來諸多學者對施藥控制系統設計及霧化特性展開研究。在PWM施藥系統中，高速電磁閥與固定孔噴嘴配合就可以在不改變噴霧壓力的前提下實現對單個噴頭的流量控制，根據這一特點可利用控制系統在噴霧機轉彎作業中調節噴桿不同位置的噴頭流量，實現轉彎補償，從而保證噴霧均勻性。但這對控制系統的要求相對較高，所以國內外多位學者對控制系統進行了開發和完善來改進噴霧效果[21]。

Shahemabadi等[22]提出了一種PWM電磁閥激活算法，通過改變每秒的脈沖個數和脈沖的寬度來達到調節流量的目的。該算法適用于將高速電磁閥換成成本相對較低、性能較低、開啟和關閉時間明顯較慢的工業電磁閥，來實現變流量目的。Liu等[23]開發了一種由微處理器和脈寬調制（PWM）控制的電磁閥激活的自動流量控制系統，流量控制電路產生多路不同占空比的PWM指令并傳送給電磁閥組，實現對多個噴嘴流量的獨立精確控制，完成基于植株特征的精密變量噴霧。魏新華等[24]以DSP56 F805作控制芯片，構建了一種基于PWM技術的間歇式噴霧控制裝置，實現12路獨立PWM信號輸出。試驗結果表明，系統產生的PWM脈寬調制信號，有效頻率不大于5 Hz，流量可調節范圍大于10，各種檢測參數誤差在可接受范圍內。

國內外學者做了大量工作來研究各種控制參數與噴霧流量的數值關系。翟長遠等[25]綜合噴霧壓力、PWM控制信號頻率及占空比、噴霧流量，運用二次回歸正交組合設計方法，為不同型號噴頭建立流量模型。蔣煥煜等[26]對噴霧瞬時壓力數據利用卡爾曼濾波法推導出噴霧流量信息，再結合分段線性擬合方法，將噴霧流量與PWM信號占空比相關聯，最終建立PWM噴霧流量模型。

PWM信號的頻率和占空比、系統壓力、噴嘴孔尺寸和類型等因素對噴霧質量和液滴尺寸的影響也是衡量PWM施藥控制系統的重要指標。鄧巍等[27]基于脈寬調制技術（PWM）的連續式變量噴霧裝置研究了不同類型噴嘴的噴霧動態特性，得到了霧滴速度、噴霧比能、噴霧動能中值直徑和體積中值直徑隨流量變化的規律。蔣煥煜等[26]在動態條件下分別測試了不同PWM頻率、占空比和噴霧壓力對不同方向上霧量分布均勻性的影響，結果發現PWM頻率越高單噴頭在噴霧前進方向上的霧量分布均勻性越好。Wei等[28]通過組合測試試驗發現液滴粒徑分布、噴嘴激活壓力和流量都隨占空比、噴嘴孔口尺寸和PWM電磁閥型號而變化，在不同的占空比下為不同類型噴嘴選擇PWM電磁閥型號提供了參考。

通過以上分析得知，PWM變量施藥技術能很好改善變壓力式控制技術存在的霧滴畸變、系統壓力不穩定問題及變濃度式控制技術存在的延遲問題，保證藥液噴灑的均勻性和流量可調性，因此被廣泛認可、應用于精密變量噴霧作業中。國內外學者分別從控制系統優化以及壓力、PWM頻率及占空比等因素對霧滴特性的影響等層面對其做了大量深入的研究。但是，目前PWM變量噴霧控制系統的精度仍有待提高，而且有關施藥管路中壓力波動問題對施藥量的影響研究較少，大部分仍處于試驗研究階段。因此，國內應進一步加大在變量施藥控制精度以及施藥管路壓力波動消除的研究，提高控制系統的精度及穩定性。

2 系統壓力波動特性研究

在施藥系統操作過程中，需要維持一定的噴嘴壓力來保證精確的施藥量，同時系統壓力大小及穩定性將影響液滴粒徑和噴霧角度，扇形噴霧角度一致性對于實現相鄰噴嘴的理想重疊并保持均勻覆蓋至關重要。施藥系統壓力均勻性是保證噴霧效果的關鍵性能指標之一，在優化霧滴特性并減少農藥污染方面發揮著重要作用。精確測量和分析施藥管路內動態壓力特性可以幫助更好地分析現有系統，并進一步推進變量施藥技術發展。

2.1 壓力沖擊原理分析

在有壓管道中流體動量發生突然變化時，由于不可壓縮的介質具有的慣性引起的壓力波，叫做水擊波或水錘。水擊波形成的壓力沖擊較復雜，影響因素有介質特性、管道直徑、管材韌性等[29]。水擊波沿管道傳播，在原來的液壓之上迭加增壓，誘發比較激烈的管道振動，極易造成管道破裂和噴頭受損，擊壞壓力和流量等儀表，嚴重威脅設備安全。

如圖4所示，左側為較大的容腔（藥箱）與右側管道通過閥門連接，相較于管路直徑，容腔的體積較大，故認為其內部壓力恒定，閥門開啟時，管道內的液體以一定流速流過，不考慮管中的壓力損失。當管道的末端（噴頭）突然關閉時，藥液被瞬間截停。根據能量轉化和守衡定律，液體的動能[ρAlv22]轉化為液體的彈性能[AlΔp22K']，即

[ρAlv22=AlΔp22K'] （1）

式中： ρ——液體密度，kg/m3;

v——液體流速，m/s；

p——系統壓力，MPa；

A——管道截面積，mm2；

l——管道長度，m；

[K']——藥液的等效體積彈性模量，MPa。

由式（1）得到

[Δp=ρK'v] （2）

由式（2）可知，沖擊壓力最大升值[Δp]與流速v成正比。因此產生水錘沖擊的外界條件是管路中的流速突然變化，而內在因素是液體本身的不可壓縮性和慣性[30]。

1.噴頭 2.管路 3.閥門 4.藥箱

上述算法基于經典水錘理論，計算效率高，可以用來估算基于忽略管道運動過程中的能量損失、閥門瞬時關閉、管道約束剛度很大條件下的最大水錘壓力[31]。但此方法未考慮管道彎頭和空間的效應，故只能計算一維模型，無法實現流動的可視化。基于計算機技術，采用CFD方法對水擊過程進行數值模擬會比簡化的經典水錘理論得到與實際更加接近的結果[32]。FLUENT是基于三維、可壓、非定常N-S方程的有限體積法流場計算軟件，其動網格和滑移網格技術可以模擬瞬態流動，能夠應用于管道閥門系統的計算[33]。郭蘭蘭等[34]基于FLUENT的滑移網格技術對管道中球閥突然關閉引起的水擊現象進行了數值模擬，計算得出了不同關閥時間和關閥方式下的水擊壓強隨時間的變化關系。

在施藥系統中引起壓力波動的原因多種多樣，如隔膜泵的間歇性吸排液特性，電磁閥頻繁啟閉，比例溢流閥動態響應特性，噴頭啟閉數量等，研究施藥系統管路及噴嘴附近的壓力波動問題對于提高變量噴霧系統精確性、保證霧滴特性具有重要意義。

2.2 管道壓力波動特性

造成施藥系統管路壓力變化的原因主要有噴霧機作業速度的變化、泵源脈動、閥件運動等。在施藥過程中，施藥機需要根據需求實時調整噴嘴流量，以實現變量施藥。但無論是通過改變電動球閥的開度還是控制噴頭開啟數量的方式實現，管路中都會出現壓力波動的現象，從而使得流量以及霧滴特性發生改變，影響變量施藥的精確性。

對于變量施藥系統來說泵源脈動對系統壓力的影響最為明顯。隔膜泵的原理是活塞使橡膠隔膜作凹凸運動，引起隔膜腔室的容積發生周期性變化進而完成溶液的輸送。吸排特性會導致隔膜泵輸出的瞬時流量在泵的直流流量上疊加高頻脈動流量，從而使出口壓力呈現波動。除了基于系統分析方法對隔膜泵壓力脈動規律進行研究，也有學者利用ANSYS、ADINA等軟件對隔膜泵液力特性進行有限元分析。宋俊偉[35]對隔膜泵復雜模型進行CFD三維仿真模型簡化，仿真研究隔膜泵的關鍵參數對隔膜泵輸出壓力脈動的影響規律，解釋了穩壓氣室對隔膜泵輸出壓力脈動的抑制機理。

針對施藥系統中由于球型調節閥快速關閉造成的水錘沖擊，Chen等[36]采用試驗方法和數值計算研究一定關閥時間下的關閥水錘效應規律，分析關閥速度對水錘沖擊波形的影響。王新華等[37]指出由于換向閥突然開啟和關閉瞬間進油閥和回油閥開啟與關閉的滯后，會導致排出總管內產生壓力脈沖尖峰，造成整個系統的振動。

隔膜泵和閥門動作對施藥系統造成的壓力波動不容忽視，但是泵輸出的高頻周期脈動遇到液壓系統管路的阻抗時又會形成更為復雜的壓力波動，這導致各閥門間的壓力差異而且不成一定的規律，引起各獨立噴頭間噴霧流量變異較大。郭北濤等[38]指出在水擊波運動過程中，因為流體的黏性摩擦和管壁的變形作用，能量不斷損失，因而壓力沖擊波在管道中的傳播是不斷快速衰減并最終消失的振蕩。

在施藥系統中常常設置回流管路對噴頭流量和壓力進行穩定控制。為研究回流比例對管路壓力波動特性的影響，張春鳳等[39]搭建對靶施藥壓力波動試驗臺，裝設有回流比例閥可將藥液一部分流向5路噴桿，一部分回流至藥箱。研究發現管路壓力波動與關閉噴頭占比以及系統初始壓力有密切聯系，設置回流管路可有限減少管路壓力波動，并給出了不同靶標占比下的最佳回流比例區間。

2.3 噴頭壓力波動特性

現階段對于施藥系統中壓力波動的研究多數是關于噴嘴上游管路壓力波動的研究，國內對于電磁閥頻繁啟閉造成的噴頭附近壓力沖擊研究較少。PWM系統旨在根據所選應用壓力提供實時流量變化，但是由電磁閥頻繁啟閉帶來的噴頭附近壓力損失和占空比中的壓力動態會影響流量的一致性，從而影響液滴大小分布、對作物冠層的穿透性、飄移特性和噴霧角，還會導致相鄰噴頭噴霧重疊度差，影響覆蓋精度。

施藥系統的脈寬調制（PWM）電磁閥的出現解決了傳統變壓力式施藥控制系統的一些缺點，控制更為精確。電磁閥工作原理是依靠電磁鐵的通斷電實現閥門的打開和關閉。電磁閥在PWM高電平信號期間通電導致閥門打開，并允許藥液通過噴頭。理想情況下，噴頭處的壓力應始終與上游管路壓力保持一致。但是研究表明，在PWM占空比波形中，作用在電磁閥上的瞬時上游壓力隨電磁閥的啟閉動作而變化。當閥門開啟時，噴頭附近上游壓力低于管路壓力，而當閥門關閉時，上游壓力上升到管路壓力以上并持續波動。Sharda等[40]研究表明，噴頭壓力在目標值的7%～20%范圍內變化，需要更好的噴頭控制技術來補償這一誤差。表2為國內外噴頭附近壓力波動研究現狀分析。

Silva等[41]測試了40個配有脈沖寬度調制（PWM）電磁閥在有無系統壓力補償、不同占空比、及噴頭開啟數量等條件下的噴霧壓力以及總流量變化。試驗結果表明，沒有壓力補償噴霧管道的工作壓力顯著低于同條件下具有壓力補償的管道壓力，從而導致總流量也相對較少，而且兩種壓力條件下的總流量差異隨著占空比和活動噴嘴數量的增加而增加。Wei等[42]設計間歇式PWM施藥系統，兩個高精度壓力傳感器一個安裝在電磁閥上游另一個安裝在電磁閥和噴頭之間，來分別測量作用在電磁閥以及作用在噴嘴上的壓力。研究發現，作用在PWM電磁閥上的瞬時上游壓力隨電磁閥動作以及PWM占空比而變化，并創新提出“激活壓力”來定義電磁閥在占空比波形內打開時的壓力，在其他條件一定的前提下，作用在噴嘴孔上的平均激活壓力隨著占空比的增大而增大，隨噴嘴孔尺寸的增大而減小。Fabula等[43]研究在不同占空比和工作頻率的條件下，由PWM系統操作的不同電磁閥驅動噴頭在不同應用速率和壓力下的壓力損失、流量和響應時間。試驗結果表明：隨著系統壓力的增加，系統壓力損失增大。并指出在選擇PWM系統時，應仔細考慮壓力波動峰值和下降時間的應用壓力以及周期內穩定應用壓力的時間帶來的應用誤差。

電磁閥開啟時間和噴嘴壓力應盡可能接近噴嘴處測量的實際壓力。然而，以往研究中的噴嘴壓力測量通常在噴頭體和噴嘴之間添加連接管以方便壓力傳感器的安裝[44]，這增加了噴嘴的內部體積，并可能改變決定噴嘴性能的壓力動態。采用嵌入式壓力傳感器對PWM施藥系統中的噴頭壓力進行測量，探究噴頭體積對噴頭內部壓力動態的影響。結果表明傳感器的安裝位置以及電磁閥和噴嘴之間的體積會影響壓力測量，噴頭體積的變化也會對上游壓力造成較為明顯的影響。劉海紅[45]利用FLUENT仿真軟件建立電磁閥模型，分析其工作過程中內部的動態流場特征，研究磁閥的關鍵參數如響應時間等因素與水錘的關系，為PWM變量噴施系統的優化設計和壓力波動的穩定控制奠定理論基礎。

3 系統壓力波動抑制方法及裝備

綜合上節國內外研究現狀可知：變量施藥系統中存在較嚴重的壓力波動問題。研究施藥系統壓力波動抑制方法與裝備，對提高農藥利用率，實現精準變量施藥裝置的進一步優化是十分有意義的。

3.1 管路壓力沖擊抑制

為穩定管路壓力穩定施藥效果，施藥系統常常會加裝回流裝置，當進液腔和出液腔之間壓力超過設定值時觸發直接泄壓實現自動回流，避免損壞管道及閥組。在變量施藥系統的主控制閥、比例閥和五路電動調節閥處裝設回流至主藥箱的管路，可保持整個施藥系統壓力穩定，同時延長控制元件的使用壽命。陳恩福[46]在施藥器的出液管上加裝回流裝置，使得噴槍關閉時水泵無需頻繁啟閉，避免對施藥器的出水管造成過大的壓力沖擊。郭澤旺等[47]在電動施藥器內加裝回流穩定裝置（圖5），當藥箱內藥液量不足時限壓閥關閉，回流攪拌作用停止，藥液只能流向施藥膠管從而使施藥系統保持一定的壓力。

圖6為美國創新設計的430系列分段支路溢流閥，創新采用計量旁路球閥設計，當施藥管路關閉時內部三通球閥將藥液導向旁路回流泄壓，還可通過刻度旋鈕調節回流開度，從而及時穩定由噴頭關閉引起的壓力沖擊。

空氣閥是一種用于防止停泵水力過渡過程中產生負壓的特殊閥門，采用補氣的方法防止管道中因負壓而造成的水錘事故，具有構造簡單、造價低、安裝方便、等優點。在合理位置安裝合適進排氣孔口徑的空氣閥可有效防水錘升壓，但空氣閥的防護效果受安裝位置和進排氣孔口徑的影響較大。周耀輝[29]介紹的氮氣式水擊泄壓閥，當閥塞前部壓力大于氮氣壓力和彈簧壓力之和時，閥塞打開，原油通過泄壓閥、泄壓管道流入泄放罐內，當水擊消失泄壓閥在氮氣壓力作用下關閉，從而有效保護管道，具有反應靈敏、安全穩定性好等特點。肖俊建[48]探究管路中的流量脈動程度與隔膜泵和空氣室結構及物理參數的關系，結果表明，適度增大空氣室預充壓力以及空氣室的體積可使流量脈動減小。

3.2 噴嘴局部壓力波動抑制

由泵源及閥組動作引起的噴頭上游壓力波動較為明顯也易于監測，可通過上述閥組、蓄能器及控制方法等手段進行壓力穩定。但是在PWM變量施藥系統中，由于電磁閥頻繁啟閉等因素會造成噴嘴附近的壓力變化，影響霧滴粒徑及霧滴分布。在PWM變量噴霧系統中采用Capstan Pinpoint控制器來設置系統壓力、噴嘴開/關配置和占空比，可以將系統平均噴嘴壓力保持在目標的±5%左右[49]。Needham等[50]研發了一種以控制噴霧液滴大小為目標的比例電磁閥控制系統，用于調節單個農業噴霧噴嘴的流體壓力。該調節方法利用毗鄰噴嘴的電磁閥，通過改變電磁閥閥錐位置來控制通過閥門的壓降，進而控制噴頭的進口處壓力。并對其在恒定和變化壓力下控制平均體積流量的能力進行評估，結果表明，流量控制效果良好，與目標流量值有很高的相關性，但是執行器的精度還有待提高。

噴頭的內部結構優化與設計也是實現變量噴頭壓力穩定的主要方法。Womac等[51]設計了一款變流量扇形噴頭，主要結構包括錐形噴嘴體套筒、計量柱塞、隔膜和壓力端口，膜片用于通過控制壓力和供應管路壓力定位計量柱塞。可以設定的目標壓力為目標，通過改變控制壓力和管線壓力相結合，實現對流量的獨立控制。同樣地，Bui[52]設計出一種帶有隨動器件的VariTarget變量噴嘴，由計量閥桿、膜片、彈簧和噴嘴本體組成。此噴頭尖端具有柔性噴孔，其面積由一對杠桿控制。加壓液體進入噴頭體，流經計量閥桿中的計量槽，從噴嘴尖端的噴孔處流出。當計量閥桿的位置發生變化時，流量也會發生變化。當液體壓力小于彈簧力時，計量閥桿向下移動，流量減小，當液體壓力大于彈簧力時，計量閥桿向上移動，流量增大。此噴頭可對壓力變化作出快速決斷，并已被商品化，開發出系列變量噴頭。

4 展望

介紹變量施藥系統的組成及工作原理，重點闡述PWM變量施藥系統在工作過程中因噴頭流量變化、隔膜泵的間歇工作特性、電磁閥頻繁啟閉等原因造成的管路壓力波動，并針對不同類型的施藥系統分析管道壓力波動特性及消除方法。

1） 藥液濃度調節式、壓力調節式和流量調節式3種施藥系統各有優點和劣勢。壓力調節技術雖然存在噴霧特性不穩定等缺點，但由于其成本相對較低，操作簡單，是目前應用最廣泛的變量施藥系統。盡管藥液濃度調節式以及PWM流量調節系統的噴霧效果和穩定性明顯優于前者，但是受限于電磁閥和控制器的成本問題，尚未大面積推廣，可見成本是制約變量噴霧技術發展的一個重要因素。

2） 三種施藥系統在工作過程中普遍存在壓力波動問題，造成不理想的施藥效果。現有研究多數著眼于系統固有閥件的結構與功能參數以及PWM控制電磁閥啟閉對管路壓力波動特性、霧化特性的影響。針對部分噴頭啟閉造成的噴頭附近微小壓力波動特性，國內的研究較少。

3） 壓力波動抑制方法與裝備研究中，施藥主管道泄壓回流設計及壓力、流量等關鍵參數實時監測技術及設備已相對成熟；多款穩壓蓄能器產品相繼問世，朝著實用和耐用方向發展；國外支路溢流技術已發展至商品化階段，但國內尚缺乏關鍵的自主研發技術，市面現有的傳感器及控制部件仍以進口為主，導致國內市場上變量施藥設備售價較高；針對噴頭附近壓力沖擊的穩定技術尚處于實驗室試驗階段。

我國在變量施藥技術研發應用與噴霧特性檢測等方面取得了突破性進展，但施藥控制系統的穩定性和精確性、施藥設備的自動化程度仍與國外先進水平有一定差距。首先，目前國內主要針對施藥系統的管路壓力波動特性展開研究，隨著對變量施藥系統精準度要求的提高，未來對如PWM電磁閥頻繁啟閉等因素造成的噴頭附近微小壓力波動特性的研究將會更細致、更深入。其次，國內施藥控制技術和壓力穩定設備的創新水平還不夠高，缺少能實現對每個噴頭的精確控制的施藥系統，以控制手段穩定噴霧壓力的研究較少；同時高速電磁閥、噴頭和閥組等部件依賴進口，存在研發成本高和技術壁壘等問題。因此，改進施藥控制系統，開發低成本國產高速電磁閥，研發針對噴頭的壓力穩定回流產品是十分有必要的。

參 考 文 獻

[ 1 ] 楊光玉， 孔輝， 蘭玉彬， 等. 精準變量施藥關鍵技術及應用現狀[J]. 農業技術與裝備， 2022（1）： 96-97.

[ 2 ] 張杰， 楊豫新， 謝建華. 精準施藥技術與裝備發展現狀[J]. 新疆農機化， 2019（5）： 8-12.

[ 3 ] 趙春江. 智慧農業的發展現狀與未來展望[J]. 中國農業文摘—農業工程， 2021， 33（6）：4-8.

[ 4 ] 何雄奎. 中國精準施藥技術和裝備研究現狀及發展建議[J]. 智慧農業（中英文）， 2020， 2（1）： 133-146.

[ 5 ] 翟長遠， 趙春江， Wang N， 等. 果園風送噴霧精準控制方法研究進展[J]. 農業工程學報， 2018， 34（10）： 1-15.

Zhai Changyuan， Zhao Chunjiang， Wang N， et al. Research progress on precision control methods of air?assisted spraying in orchards [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34（10）： 1-15.

[ 6 ] Zhou X， Liu H， Wu S， et al. Influence of solenoid valve response times on water hammer in variable rate spraying system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（5）： 64-69.

[ 7 ] Sharda A， Fulton J P， McDonald T P， et al. Real?time pressure and flow dynamics due to boom section and individual nozzle control on agricultural sprayers [J]. Transactions of the ASABE， 2010， 53（5）： 1363-1371.

[ 8 ] 李龍龍， 何雄奎， 宋堅利， 等. 基于高頻電磁閥的脈寬調制變量噴頭噴霧特性[J]. 農業工程學報， 2016， 32（1）： 97-103.

Li Longlong， He Xiongkui， Song Jianli， et al. Spray characteristics on pulse?width modulation variable application based on high frequency electromagnetic valve [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（1）： 97-103.

[ 9 ] 呂曉蘭， 傅錫敏， 吳萍， 等. 噴霧技術參數對霧滴沉積分布影響試驗[J]. 農業機械學報， 2011， 42（6）： 70-75.

Lü Xiaolan， Fu Ximin， Wu Ping， et al. Influence of spray operating parameters on droplet deposition [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2011， 42（6）： 70-75.

[10] 余昭南， 胡軍， 初鑫， 等. 變量噴霧系統的噴霧控制方式研究現狀及展望[J]. 中國農機化學報， 2019， 40（9）： 72-79.

Yu Zhaonan， Hu Jun， Chu Xin， et al. Research status and prospect of the spray control method of variable spray system [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（9）： 72-79.

[11] 胡開群， 周舟， 祁力鈞， 等. 直注式變量噴霧機設計與噴霧性能試驗[J]. 農業機械學報， 2010， 41（6）： 70-74， 102.

Hu Kaiqun， Zhou Zhou， Qi Lijun， et al. Spraying performance of the direct injection variable?rate sprayer [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2010， 41（6）： 70-74， 102.

[12] 袁琦堡， 胡煉， 羅錫文， 等. 在線實時混藥噴霧系統設計與試驗[J]. 農業機械學報， 2016， 47（S1）： 176-181.

Yuan Qibao， Hu Lian， Luo Xiwen， et al. Design and experiment of online mixing spraying system [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2016， 47（S1）： 176-181.

[13] 蔡祥， Martin W， Malte D， 等. 基于電磁閥的噴嘴直接注入式農藥噴灑系統[J]. 農業機械學報， 2013， 44（6）： 69-72.

Cai Xiang， Martin W， Malte D， et al. Direct nozzle injection sprayer based on electromagnetic?force valve [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2013， 44（6）： 69-72.

[14] Tompkins F D， Howard K D， et al. Boom flow characteristics with direct chemical injection [J]. Transactions of the ASAE， 1990， 33（3）： 737-743.

[15] Hlobeň P. Study on the response time of direct injection systems for variable rate application of herbicides [D]. Universit?ts?und Landesbibliothek Bonn， 2008.

[16] Kunavut J， Schueller J K， Mason P A C. Continuous control of a sprayer pinch valve [J]. Transactions of the ASAE， 2000， 43（4）： 829-837.

[17] 常相鋮. 壓力式變量噴霧控制系統設計試驗研究[D]. 大慶： 黑龍江八一農墾大學， 2014.

[18] Ayers P D， Anglund E A. Field evaluation of a variable rate liquid chemical applicator [J]. ASAE Annual International Meeting， Milwaukee， Wisconsin， 2000（7）： 1-43.

[19] 史巖， 祁力鈞， 傅澤田， 等. 壓力式變量噴霧系統建模與仿真[J]. 農業工程學報， 2004， 20（5）： 118-121.

Shi Yan， Qi Lijun， Fu Zetian， et al. Characteristics and comparison of pressure?based variable spray [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2004， 20（5）： 118-121.

[20] 邱白晶， 李佐鵬， 吳昊， 等. 變量噴霧裝置響應性能的試驗研究[J]. 農業工程學報， 2007（11）： 148-152.

Qiu Baijing， Li Zuopeng， Wu Hao， et al. Experimental study on variable?rate spraying equipment response capability [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2007（11）： 148-152.

[21] 劉慧， 夏偉， 沈躍， 等. 基于實時傳感器的精密變量噴霧發展概況[J]. 中國農機化學報， 2016， 37（3）： 238-244， 260.

Liu Hui， Xia Wei， Shen Yue， et al. Development overview of precision variable spraying based on real?time sensor technology [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2016， 37（3）： 238-244， 260.

[22] Shahemabadi A R， Moayed M J. An algorithm for pulsed activation of solenoid valves for variable rate application of agricultural chemicals [C]. International Symposium on Information Technology， 2008： 1-3.

[23] Liu H， Zhu H， Shen Y， et al. Development of digital flow control system for multi?channel variable?rate sprayers [J]. Transactions of the ASABE， 2014， 57： 273-281.

[24] 魏新華， 蔣杉， 孫宏偉， 等. PWM間歇噴霧式變量噴施控制器設計與測試[J]. 農業機械學報， 2012， 43（12）： 87-93， 129.

Wei Xinhua， Jiang Shan， Sun Hongwei， et al. Design and test of variable rate application controller of intermittent spray based on PWM [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2012， 43（12）： 87-93， 129.

[25] 翟長遠， 王秀， 密雅榮， 等. PWM變量噴霧噴頭流量模型[J]. 農業機械學報， 2012， 43（4）： 40-44.

Zhai Changyuan， Wang Xiu， Mi Yarong， et al. Nozzle flow model of PWM variable?rate spraying [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2012， 43（4）： 40-44.

[26] 蔣煥煜， 周鳴川， 童俊華， 等. 基于卡爾曼濾波的PWM變量噴霧控制研究[J]. 農業機械學報， 2014， 45（10）： 60-65.

Jiang Huanyu， Zhou Mingchuan， Tong Junhua ， et al. PWM variable spray control based on kalman filter [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2014， 45（10）： 60-65.

[27] 鄧巍， 丁為民， 何雄奎. PWM連續變量噴霧的霧滴速度和能量特性[J]. 農業工程學報， 2009， 25（S2）： 66-69.

Deng Wei， Ding Weimin， He Xiongkui. Droplet velocity and energy characteristics of continuously variable spray based on pulse width modulation [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2009， 25（S2）： 66-69.

[28] Wei Z， Zhu H， Zhang Z. Droplet size spectrum， activation pressure， and flow rate discharged from PWM flat?fan nozzles [J]. Transactions of the ASABE， 2021， 64（1）： 313-325.

[29] 周耀輝. DANIEL氮氣式水擊泄壓閥的安裝和功能維護[J]. 油氣儲運， 2011， 30（3）： 227-230.

[30] 馬憲亭， 尹新愛. 液壓沖擊計算與控制方法[J]. 煤礦機械， 2009， 30（3）： 157eXDkJGTshcEhT6BlPSzboFQKOf0II08t0d5sejpP33Y=-158.

[31] 席志德， 馬建中， 孫磊. 空間管道的水錘效應的CFD研究方法[J]. 核動力工程， 2012， 33（6）： 17-20.

[32] 許文奇， 彭利坤， 屈鐸. 基于CFD的球閥關閉過程水擊現象研究[J]. 機床與液壓， 2017， 45（11）： 170-174.

[33] 韓占忠， 王敬， 蘭小平. FLUENT： 流體工程仿真計算實例與應用[M]. 北京： 北京理工大學出版社， 2004.

[34] 郭蘭蘭， 耿介， 石碩， 等. 基于UDF方法的閥門變速關閉過程中的水擊壓強計算研究[J]. 山東大學學報（理學版）， 2014， 49（3）： 27-30， 36.

[35] 宋俊偉. 施藥系統中隔膜泵壓力波動的研究[D]. 鎮江： 江蘇大學， 2018.

[36] Chen Yafei， Gu Weiguo， Wang Dezhong， et al. Experimental study and numerical calculation of water hammer effect of closing valve of ball type regulating valve [J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering， 2021， 39（10）： 1027-1032.

[37] 王新華， 張永紅， 劉世強， 等. 液壓驅動往復泵中的液壓沖擊現象分析[J]. 石油礦場機械， 2002， 31（5）： 53-55.

[38] 郭北濤， 柳洪義， 王菲， 等. 蓄能器對電磁閥試驗臺流體脈動消減作用的研究[J]. 東北大學學報： 自然科學版， 2010， 31（11）： 1623-1627.

Guo Beitao， Liu Hongyi， Wang Fei， et al. Effect of accumulators on reducing fluid pulsation on a solenoid value test bed [J]. Journal of Northeastern University （Natural Science）， 2010， 31（11）： 1623-1627.

[39] 張春鳳， 翟長遠， 趙學觀， 等. 對靶噴藥系統壓力波動特性的試驗研究[J]. 農業工程學報， 2022， 38（18）： 31-39.

Zhang Chunfeng， Zhai Changyuan， Zhao Xueguan， et al. Experimental study on the pressure fluctuation characteristics of target spray system [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2022， 38（18）： 31-39.

[40] Sharda A， Luck J D， Fulton J P， et al. Field application uniformity and accuracy of two rate control systems with automatic section capabilities on agricultural sprayers [J]. Precision Agriculture， 2012， 14（3）： 307-322.

[41] Silva J E， Zhu H， Cunha J P A R D. Spray outputs from a variable?rate sprayer manipulated with PWM solenoid valves [J]. Applied Engineering in Agriculture， 2018， 34（3）： 527-534.

[42] Wei Z， Zhu H， Zhang Z. Droplet size spectrum， activation pressure， and flow rate discharged from PWM flat?fan nozzles [J]. Transactions of the ASABE， 2021， 64（1）： 313-325.

[43] Fabula J， Sharda A， Kang Q. Nozzle flow rate， pressure drop， and response time of pulse width modulation （PWM） nozzle control systems [J]. Transactions of the ASABE， 2021， 64（5）： 1519-1532.

[44] Sharda A， Fulton J P， Mcdonald T P， et al. Real?time nozzle flow uniformity when using automatic section control on agricultural sprayers [J]. Computers & Electronics in Agriculture， 2011， 79（2）： 169-179.

[45] 劉海紅. PWM變量噴施系統特性試驗臺的設計及液壓沖擊的研究[D]. 鎮江： 江蘇大學， 2015.

Liu Haihong. Design of test equipment of PWM controlled variable rate application and study of hydraulic impacts [D]. Zhenjiang： Jiangsu University， 2015.

[46] 陳恩福. 一種具有回流裝置的噴霧器[P]. 中國專利： CN205926102U， 2017-02-08.

[47] 郭澤旺， 楊建波， 劉玉生. 一種具有回流穩定裝置的電動噴霧器[P]. 中國專利： CN203842746U， 2014-09-24.

[48] 肖俊建. 單缸雙作用隔膜泵輸送礦漿峰值分散技術[J]. 礦山機械， 2008， 36（23）： 75-77.

Xiao Junjian. The peak value dispersion technique in single cylinder double acting diaphragm pumps for pulp conveying [J]. Mining & Processing Equipment， 2008， 36（23）： 75-77.

[49] Mangus D L， Sharda A， Engelhardt A， et al. Analyzing the nozzle spray fan pattern of an agricultural sprayer using pulse width modulation technology to generate an on?ground coverage map [J]. Transactions of the ASABE， 2017， 60（2）： 315-325.

[50] Needham D L， Holtz A J， Giles D K. Actuator system for individual nozzle control of flow rate and spray droplet size [J]. Transactions of the ASABE， 2012， 55（2）： 379-386.

[51] Womac A R， Valcore D L， Li R A M. Variable?concentration direct injection from fixed?ratio diluent?driven pumps [J]. Transactions of the ASAE， 2002， 45（6）：1721-1728.

[52] Bui Q D. VariTarget： A new nozzle with variable flow rate and droplet optimization [C]. 2005 ASAE Annual Meeting. American Society of Agricultural and Biological Engineers， 2005： 1.